諸位北京航空航天大學(xué)的師生們好！
我有一個(gè)關(guān)于大型飛機(jī)的新設(shè)計(jì)，想找一下貴大學(xué)的飛機(jī)設(shè)計(jì)專家們，不知如何聯(lián)系：
新型長方體飛機(jī)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)師：李慶宏 摘要： 新型長方體飛機(jī)將目前的長圓柱體大型客機(jī)改為上撐大平板下為長方機(jī)體的上下兩層結(jié)構(gòu)。這種最根本層次的結(jié)構(gòu)更新將帶來各方面的好處：結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固實(shí)用、設(shè)計(jì)和制造難度低、對(duì)材料和工藝的要求低、制造成本低、重量輕、油耗低、并可充分利用太陽能作為輔助動(dòng)力，故足以堪稱“大型客機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑式更新”。 這個(gè)更新可以在很大程度上填補(bǔ)中國飛機(jī)制造公司和波音、空客兩大巨頭目前在技術(shù)、工藝方面的差距，由此中國將出現(xiàn)一個(gè)類似波音、空客那樣的大公司，實(shí)現(xiàn)政府發(fā)展中國大型客機(jī)的計(jì)劃。中國的大飛機(jī)翱翔藍(lán)天的時(shí)代即將到來！
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2014-7-14 09:48 上傳
背景技術(shù)： 目前的大型客機(jī)無論美國波音公司還是歐洲空中客車公司的都是錐頭長圓柱體機(jī)身，“空中客車”雖名為“客車”，但它的形狀和波音機(jī)相比看不出有什么明顯區(qū)別。那么這兩家瓜分當(dāng)今全球主要大型客機(jī)市場的公司不約而同地將飛機(jī)設(shè)計(jì)成這種形狀不是沒有原因的：作為載客數(shù)百人的大型客機(jī)，安全性是首先需要盡可能地保障的，那么唯有橫截面為圓形的機(jī)體才最不容易受上下左右氣流影響而失去平衡。 目前結(jié)構(gòu)的大型客機(jī)缺乏有效的在失去平衡下恢復(fù)平衡的能力，因?yàn)樗挥蟹较蛳蛘胺降膭?dòng)力，那么若被上下氣流吹歪怎么辦呢？主要是靠調(diào)整兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力以改變航向，使得兩側(cè)機(jī)翼的前行速度不同導(dǎo)致升力不同來恢復(fù)平衡。比如向右轉(zhuǎn)的時(shí)候左機(jī)翼速度快升力大于右機(jī)翼，那么左側(cè)就會(huì)上抬。這當(dāng)然不是一種很有效的辦法。而目前結(jié)構(gòu)的飛機(jī)若被吹歪不能盡快恢復(fù)，那還可能更歪（機(jī)內(nèi)人貨會(huì)向下傾方向滑），然后就要失去控制機(jī)毀人亡了。所以目前的飛機(jī)設(shè)計(jì)師們盡可能地在機(jī)體設(shè)計(jì)方面下功夫，比如將機(jī)體設(shè)計(jì)成圓形、及增加尾翼等，盡管這代價(jià)很大，但為確保安全也只能付。 首先第一個(gè)重大代價(jià)是：這種圓形機(jī)體當(dāng)然不是一種牢固的形狀，而它的體重又那么重，目前的大型客機(jī)如波音747－400是三百多噸，A380則超過了500噸，這么重又是圓形，還要在高速飛行中保持安全強(qiáng)度，那這對(duì)材料、設(shè)計(jì)技術(shù)、和制造工藝的要求就非常高了。波音747的設(shè)計(jì)圖紙有上萬張，每架波音747－400超過2億美元；而空客公司在多年技術(shù)積累下，為研發(fā)A380投入的設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)超過一百億美元，每架A380約3億美元，就是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的飛機(jī)設(shè)計(jì)太復(fù)雜、制作起來非常難、對(duì)材料的要求也高，所以制造成本也非常高。正是由于這種對(duì)綜合設(shè)計(jì)制造能力的極高要求，目前全球只剩下美國波音和歐洲空客兩家大公司，瓜分了每年超千億美元的大型客機(jī)市場。 其次第二個(gè)重大代價(jià)是：這種長圓柱體明顯不是實(shí)現(xiàn)客機(jī)首要目的，也即用于載客的最佳結(jié)構(gòu)，用于載客的最佳結(jié)構(gòu)顯然是扁長方體，也即下面我們即將看到的本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致相同載客下機(jī)體橫截面積大增，而橫截面積大增意味著空氣阻力大增，空氣阻力大增意味著要達(dá)到相同速度油耗大增。 新型長方體飛機(jī)的設(shè)計(jì)： 新型長方體飛機(jī)采用上撐大平板的方式確保整個(gè)飛機(jī)的安全平衡，而取代目前將機(jī)體設(shè)計(jì)成圓形、及使用尾翼等來維持平衡的方式。如圖1所示。 這個(gè)設(shè)計(jì)維持整個(gè)飛機(jī)平衡的原理就是降落傘的原理，即上面的大平板輕且垂直方向面積大，因此降落起來比下面重且面積小的機(jī)體慢得多，由此使整個(gè)飛行器的形狀構(gòu)成一個(gè)類似降落傘的結(jié)構(gòu)，這是一種非常安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即使被風(fēng)吹歪也歪不到哪兒去，風(fēng)一小就自動(dòng)恢復(fù)平衡。 這種方式看上去多了個(gè)東西，按一般習(xí)慣性的思維不及在機(jī)體本身上下功夫，但仔細(xì)分析下，其實(shí)代價(jià)遠(yuǎn)小于在機(jī)體本身上下功夫，由此獲得的好處，除了可以將機(jī)體改成結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)難度小、建造所需的材料和工藝要求低、成本低、空間利用率高、風(fēng)阻面積小的長方體結(jié)構(gòu)，還可以很方便的使用大面積太陽能。 我們來具體比較一下： 首先作為載客來講，現(xiàn)在人很少有超過2米高的，那么客艙2米高就行了，因?yàn)楦叨扔绊懙斤L(fēng)阻面積進(jìn)而影響油耗，所以綜合考慮還是2米就行了，極少數(shù)超過2米的大個(gè)子就請(qǐng)稍微委屈一下了；然后，因?yàn)轱w機(jī)所能達(dá)到的巡航速度主要取決于推力和空氣阻力，只要推力大于空氣阻力飛機(jī)就會(huì)一直加速，直到兩者相等，那么同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)推力下空氣阻力實(shí)質(zhì)上是決定巡航速度的主要因素�？諝庾枇Φ拇笮Q定于飛機(jī)形狀所導(dǎo)致的風(fēng)阻系數(shù)（比如尖頭的肯定比鈍頭的風(fēng)阻系數(shù)�。�、與迎風(fēng)面積成正比、與速度的平方成正比。也即相同形狀下，迎風(fēng)面積大一倍，空氣阻力也大一倍，速度大一倍，空氣阻力則要乘以4。那么油耗呢？我們大致可以按油耗增一倍推力也增一倍計(jì)算。所以我們肯定要把飛機(jī)設(shè)計(jì)成狹長的，以得到較高的速度，或降低油耗。本例中我們設(shè)定客艙寬10米長60米。 這么大小的客艙可以載多少人呢？我們假設(shè)采用類似火車軟臥的上下鋪結(jié)構(gòu)，一張床2米，過道1米，如此寬里每5米2個(gè)上下鋪，10米即4個(gè)上下鋪；那么床的寬度可以是1.2米，兩床間距離0.6米，之間放桌子，可方便乘客在旅途中吃飯、用手提電腦、或打牌、下棋等，總之長里大概每三米一對(duì)上下鋪。如此寬10米長60米的客艙，可以有4×40個(gè)上下鋪。 那么我們當(dāng)然也不需要全軟臥，一個(gè)軟臥下鋪可以坐三人，由此可以提供160個(gè)軟臥上鋪加480個(gè)坐席總計(jì)640載客量；或者也可以前10排為全軟臥頭等艙，即80個(gè)上下鋪純軟臥，加120軟臥上鋪、360坐席，總計(jì)560載客量。 對(duì)于乘客來說若兩人出行買一坐一臥可能會(huì)是不錯(cuò)的選擇。航空公司則還可以推出一對(duì)上下鋪的套票，一張這樣的套票允許乘2到4人。 總之，如此設(shè)計(jì)的一個(gè)高2米×寬10米×長60米的扁長方體盒子，就可以超過目前波音747－400的載客量，和A380差不多，并且乘客的舒適程度更高。因?yàn)樽僭趺词娣�，都不及躺著舒服；長時(shí)間坐總是累，躺著才堪稱休息；另外打牌下棋等是旅途中打發(fā)時(shí)間的好方法，堪稱娛樂，否則可能坐得很悶。 那么我們再來看速度和油耗。為此我們需要計(jì)算空氣阻力。那么我們先算橫截面積。 這個(gè)扁長方體機(jī)艙的橫截面積是20平方米，輪子按半徑0.8米算，因?yàn)檫�要有些空間放油箱、行李艙等，我們干脆把底盤和輪子之間的空間填到接近滿，然后在飛行途中用活動(dòng)罩子把輪子罩起來以減小空氣阻力，總計(jì)機(jī)體橫截面積可以按2.8×10＝28平方米算。 而波音747－400機(jī)體的橫截面積是多少呢？它是個(gè)直徑接近10米的圓形，面積約為：3.14×5×5＝78.5平方米。也即單機(jī)體橫截面積就付出了50平方米的代價(jià)。而我們上面撐個(gè)大平板的代價(jià)呢？寬30米厚2厘米的大平板加約45根撐桿，風(fēng)阻面積約6－7個(gè)平方米。 這還不算完。上撐大平板所帶來的平衡性優(yōu)勢使得我們可以毫無顧忌地用機(jī)頭和機(jī)尾來產(chǎn)生類似機(jī)翼性質(zhì)的升力，如本圖例中的斜面所示。這使得機(jī)翼可以短、迎風(fēng)面小，大概兩機(jī)翼各10米就夠了，平均厚度也只要0.5～1米，如此面積為10～20平方米。總計(jì)風(fēng)阻面積約44～55平方米。 現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的飛機(jī)因?yàn)榕掠绊懫胶獠挥脵C(jī)頭機(jī)尾產(chǎn)升力，機(jī)尾還要豎個(gè)尾翼保平衡，那又要幾個(gè)平方米。 波音747－400自重約180噸，最多可載170噸航空汽油，加上約60噸的商重，最大起飛重量約400噸，那么要抬起這么重的飛機(jī)，機(jī)翼橫截面積小不了，翼展64.4米扣除約10米的機(jī)體，按兩機(jī)翼總長54米，平均厚度1米算，是54平方米，加機(jī)體總計(jì)風(fēng)阻面積約132平方米。 兩種機(jī)型都是尖頭，風(fēng)阻系數(shù)差不了多少，所以橫截面積的對(duì)比就基本決定了要達(dá)到相同速度所需的油耗對(duì)比。 也就是說：我們這種飛機(jī)與波音747在相同載客量和速度的情況下，油耗將至少低一半。這還沒有算上太陽能光電轉(zhuǎn)換片所提供的能量。 那么這大約2700平方米光電轉(zhuǎn)換片能在一般日照下產(chǎn)生多少電能呢？目前的太陽能光電轉(zhuǎn)換效率是大約每平方米150瓦，2700平方米即約400千瓦的功率。這樣功率的電能也很可觀了，比如假設(shè)乘客手提電腦是100瓦，那么即使100個(gè)乘客同時(shí)使用手提電腦也只不過是10千瓦，所以這樣的飛機(jī)是可以允許乘客用飛機(jī)內(nèi)的電源為手提電腦充電的。這400千瓦功率的電能用來供機(jī)內(nèi)電子系統(tǒng)用也只需要一小部分，大部分可以用來驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)體頭部或尾部的電動(dòng)螺旋槳作為飛行的輔助動(dòng)力。 再來算重量。本發(fā)明的機(jī)體明顯比波音747－400小，并且上表面幾乎沒有承重的要求可以用很輕質(zhì)的材料，側(cè)面也是，因此整個(gè)機(jī)體可以比747－400輕很多，我們來估算一下：大平板約13.5噸，45根撐桿假設(shè)每根20公斤，即0.9噸，蓄電池組大概1～2噸，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)只要兩臺(tái)PW4062，油量也只要波音747的一半，按80噸計(jì)算，總計(jì)估計(jì)自重只要波音747的一半，按90噸計(jì)算，商重按600人平均每人100公斤計(jì)算為60噸，總計(jì)約90＋80＋60＝230噸。 我們再來算這種飛機(jī)的設(shè)計(jì)建造成本。這種飛機(jī)外表面基本都是平的，所以設(shè)計(jì)建造起來難度遠(yuǎn)低于目前這種圓的。除了機(jī)頭可以考慮設(shè)計(jì)成底平上扁圓弧面，當(dāng)然這種弧面會(huì)對(duì)材料及工藝要求較高，因?yàn)槲覀冞�要用這個(gè)弧面產(chǎn)生較大的上升升力。因?yàn)樵O(shè)計(jì)建造難度低，對(duì)材料、工藝要求也低，所以總的來說整個(gè)飛機(jī)的成本會(huì)降低很多。保守估計(jì)是至少降一半。 設(shè)計(jì)建造難度低將意味著很多公司能生產(chǎn)這種飛機(jī)。目前中國的飛機(jī)制造公司，如上海商用飛機(jī)公司、西安飛機(jī)制造廠等，離能造波音747那樣的飛機(jī)還有很長一段距離，但造我這種飛機(jī)的能力是綽綽有余。 這種新型飛機(jī)該叫什么名字呢？本來這樣的飛機(jī)才最適合叫“空中客車”，但現(xiàn)在因?yàn)檫@名字已經(jīng)有人用了，我們也只能另取名字，可以就叫“長方體飛機(jī)”（CuboidAircraft），如此以C為代號(hào)，排在空客（A）和波音（B）后面。像本例中客艙600平方米載客600人左右的機(jī)型可稱“C600”。如果要小一點(diǎn)呢？要小一點(diǎn)就把寬里改為5米，即客艙300平方米載客300人左右，可稱“C300”。 這種飛機(jī)的主要缺點(diǎn)是因?yàn)橛袀�(gè)大平板，垂直方向上空氣阻力很大，所以爬升起來慢，當(dāng)然下降也慢，估計(jì)大概只能達(dá)到現(xiàn)有飛機(jī)的1/3。為此我們可以把部分板塊設(shè)計(jì)為活動(dòng)的，在需要上升時(shí)可更向下傾斜一點(diǎn)。這大平板平時(shí)則只是從中間向兩邊略微向下傾斜一點(diǎn)，一方面減小上升時(shí)的空氣阻力；另一方面是為下雨時(shí)免積水。 這種最根本層次的創(chuàng)新所帶來的好處非常大：結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固實(shí)用、設(shè)計(jì)建造難度低、重量輕、體積小、同載客航速油耗低，無論建造成本還是運(yùn)營成本都明顯下降，提供的服務(wù)也更好。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明足以堪稱“大型客機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑式更新”。 這個(gè)更新可以在很大程度上填補(bǔ)中國飛機(jī)制造公司和波音、空客兩大巨頭目前在技術(shù)、工藝方面的差距，實(shí)現(xiàn)國務(wù)院《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中發(fā)展中國大型客機(jī)的計(jì)劃。中國的大飛機(jī)翱翔藍(lán)天的時(shí)代即將到來！估計(jì)若將來天上飛的客機(jī)都改成這種飛機(jī)，那么目前占全球人類溫室氣體排放總量2％的民航業(yè)會(huì)降低一半排放量，全世界人和動(dòng)物也都會(huì)受益。
附：新型長方體飛機(jī)C600與現(xiàn)有機(jī)型波音747-400的各方面綜合比較 1，飛機(jī)性能比較表： | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 3000米，但若使用地面電力助推則只需1000～2000米 | | 4臺(tái)PW 4062或 GE CF6-80C2B5F或 RR RB211-524H | 2臺(tái)相同發(fā)動(dòng)機(jī) |
2，飛機(jī)制造廠的制造成本比較表 3，航空公司的購買和運(yùn)營成本比較表 | | | | | | | | | | | | | | | 結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固實(shí)用 | | | |
4，乘客經(jīng)濟(jì)性和舒適度比較表 | | | | | 前者普通坐席票價(jià)可買后者軟臥上鋪，后者坐席則可便宜1/3 | | | | | | | | |
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發(fā)表于 2014-7-14 09:50:00
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